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聯系我們隨著云南云天化化工股份有限公司紅磷分公司節能降耗項目的投產及新蒸汽管網的投用，資源的綜合利用對準確計量提出了新的要求。蒸汽是使用的載熱工質，是重要的二次能源。因此，準確的蒸汽計量對企業節能降耗、成本核算、優化生產過程控制等具有十分重要的意義。
1蒸汽流量的特征
1．1蒸汽流量的特點
目前還不能直接測量蒸汽的質量流量，工程上普遍使用推導蒸汽質量流量測量系統，但在流量方程中質量流量與蒸汽密度ρ直接相關，因此，要準確測量質量流量，關鍵是求取蒸汽密度。對于飽和蒸汽，蒸汽密度ρ只與壓力p有關，即ρ=ρ(p);而對于過熱蒸汽，蒸汽密度ρ與壓力P、溫度t有關，即ρ=ρ(p，t)，但不再遵循理想氣體狀態方程，并隨蒸汽工況參數的變化而變化，無法用一個通式表示即不能獲得統一的密度計算公式，只能根據具體情況個別推導求得溫度、壓力補償公式。采用節流裝置時，當溫度、壓力、雷諾數變化較大時，還應動態修正C、ε、d、β等參數，以提高測量的準確度。否則，即使已實現了密度的*補償，這些余留參數變化累加后，引入的誤差仍然較大。
1．2蒸汽流量的計量儀表
用于測量蒸汽流量的儀表有:節流式差壓流量計、渦街流量計、阿紐巴流量計等。蒸汽流量信號進入DCS系統，在DCS中實現蒸汽流量溫度、壓力公式補償。組態人員根據實際工況溫度、壓力的范圍，采用正確合適的溫度、壓力補償公式，并在DCS系統上進行組態轉換，以實現準確補償。但在實際組態中，要動態修正C、ε、d、β等參數是很難實現的。因此，組態的計算式中用一常數K代替流量方程中的諸項。對于蒸汽測量:渦街流量計耐高溫只能到200℃，對320℃以上的蒸汽系統缺乏應用經驗，zui大的弱點是抗振性能差;阿紐巴流量計所產生的差壓信號值較低，應用中波動大、流量小時偏差大;蒸汽在輸送過程中，存在壓力、溫度損失。因此，蒸汽計量數據偏差大，在成本核算時，不得不進行平衡與分攤。
2標準噴嘴、溫度補償元件、3095MV變送器組成的蒸汽流量計
2．1標準節流裝置
普遍使用的節流裝置—孔板和噴嘴已經標準化，ISA1932噴嘴其幾何形狀在20世紀30年代就已開始標準化。標準節流裝置得到標準化組織和法制計量組織的認可，對標準型測量元件進行的試驗研究是性的，按照標準文件ISO5167或GB2624設計、制造、安裝和使用的標準節流裝置無須實流校準，即可確定其流量值并估算其測量誤差。目前，在全部流量計中，它是*達到此標準的。由標準噴嘴、溫度補償元件及3095MV變送器組成的蒸汽流量計如圖1所示。
節流裝置的測量原理:當流體流經管道內的節流元件時，流束將在節流元件處形成局部收縮，流速增加，靜壓力降低，于是在節流件前后產生了壓差ΔP;流量愈大，壓差愈大。這種測量方法是以流動連續性方程、伯努力方程為基礎的，其流量公式為:
式中:qm為質量流量，kg/s;C為流出系數;d為節流元件的開孔直徑，m;ε為可膨脹性系數;ρ為被測流體密度，kg/m3;Δp為差壓，Pa;β為節流元件孔徑與直管段內徑之比，β=d/D。
2．2標準噴嘴
標準噴嘴的結構形式如圖1中所示。標準噴嘴的特點:①具有光滑的收縮內壁，當流體流過時是逐漸收縮的，因此在同樣流量和相同β值時噴嘴的壓力損失只有孔板的30%。②由于入口是光滑的曲面，且結構比孔板厚實，不易磨損，使用壽命長。③流出系數大并且穩定。④噴嘴的測量范圍比孔板大。
⑤適應于高溫、高壓、高流速介質。
2．33095MV變送器
3095MV變送器是美國Rosemount公司為蒸汽、氣體提供的質量流量變送器，其特點:①體積小巧，結構簡單，安裝方便。②可靈活配套不同的一次測量元件如孔板、噴嘴、阿紐巴等，3095MV變送器的EA組態軟件數據庫中記錄了這些測量元件及過程流體數據。③多變量測量，精度高。可同時測量壓力、差壓、溫度、流量4個參數，差壓、壓力的測量精度為量程的0．075%，溫度的測量精度為0．56℃，重復性0．1%。④采用實時動態的*公式來計算所有參數，zui大限度地提高了測量的準確性。傳統的差壓流量是用一個簡化的質量流量公式在DCS或流量儀中計算的即qm=KΔ槡p，公式中用一個常數K代表真實流量計算中的許多參數。
事實上，只有單位換算系數是常數，其它項都是過程變量的函數，簡化公式不能補償這些量的變化，故在計算的流量中產生不可預見的誤差。⑤二線制、直接輸出與量程相對應的質量流量信號。⑥3095MV變送器的優點彌補了傳統意義上差壓流量計的缺點，如量程比從3∶1拓寬到10∶1。
2．4溫度補償元件
工況下的蒸汽溫度信號直接進入3095MV變送器進行補償，其安裝位置盡可能靠近節流裝置，但又要在節流裝置需要的直管段外，還要保證插入深度，以實現準確的測量。
3蒸汽管網計量系統蒸汽管網及計量點如圖2所示。
圖2中各流量計的配置:FQ0103、FQ3702為孔板+差壓變送器，信號進入DCS系統后作溫度壓力補償;FQ1002、FQ506001、FQ506002、FQ61307為標準噴嘴+補償熱電阻+3095MV變送器，標準噴嘴均為同一廠家制造;FQ3707為渦街流量計。主要考查:FQ1002+FQ0103是否等于FQ506001+FQ61307+損失量;FQ506002+減溫水是否等于FQ3707+損失量，從而驗證流量計是否滿足準確計量要求。
3．1FQ1002+FQ0103與FQ506001+FQ61307+損失量
3．1．1流程及數據采集
三廢鍋、35t鍋爐的蒸汽經FQ1002、FQ0103到1#分配缸，匯合后的蒸汽一路經FQ506001計量并經減壓減溫后進入2#蒸汽分配缸，另一路經過約1015m蒸汽管、若干彎頭、疏水閥后經FQ61307計量后并入3#蒸汽分配缸，考查時段內的數據見表1。
3．1．2FQ1002、FQ0103、FQ506001、FQ61307的狀況
FQ1002在考查時用給水流量作過對比，能滿足計量要求;經過FQ0103的蒸汽壓力在3．2MPa、410℃以上時偏差小，在考查時段內滿足這一條件;FQ506001在選型計算范圍內;到達FQ61307的蒸汽存在一定的損失量。
3．1．3數據分析
1)第1～5組數據
①三廢爐、35t/h鍋爐、合成氨系統(3機)平穩生產;5#硫酸停車，6#硫酸、發電系統正常開車。
②數據滿足重復性、線性關系。③1#分配缸內的蒸汽平均壓力、溫度為3．56MPa、423℃，經FQ61307的蒸汽平均壓力、溫度為3．35MPa、415℃，平均流量損失=(FQ1002+FQ0103－FQ506001－FQ61307)/(FQ1002+FQ0103)×=2．2%。④經過1015m的管線、幾十個的彎頭及疏水閥后，2．2%的蒸汽流量損失小于估算值，對于蒸汽測量來說這是一個理想的測量結果。
2)第6組數據5#硫酸剛開車，蒸汽富余;35t/h鍋爐停車，FQ0103為零;合成氨系統(3機)平穩生產。1#分配缸內的蒸汽壓力、溫度分別為3．53MPa、420℃，經FQ61307的蒸汽壓力、溫度分別為3．41MPa、403℃，流量只有前5組的70%，損失為3．1%。
3)第7～12組數據①5#硫酸已開車正常，合成氨系統(3機)平穩生產。1#分配缸內的蒸汽平均壓力、溫度分別為3．54MPa、420℃，經FQ61307的蒸汽平均壓力、溫度分別為3．48MPa、390℃，流量只有1～5組的47%，損失已達16．4%。②數據滿足重復性、線性關系。
4)第13組數據①由于公司開始檢修，數據時段的前8小時合成氨系統(3機)平穩生產;后32小時合成氨系統停車、三廢爐降負荷生產，蒸汽主要經FQ61307并入3#蒸汽分配缸。②在數采時段內，經FQ61307的蒸汽流量只有1～5組33%，損失達20．6%。
流量是一個推導量，由一些基本參數組成;同時它又是一個動態量，只有流體流動時才產生流量，因此它與流體物性、流動的特性密切相關。蒸汽的經濟流速為20～30m/s，流速高于經濟流速上限，則阻力損失會隨著流量的增加而急劇增加;流速低于經濟流速下限，運行熱損增大，流量損失隨之增大。取7～12組數據的平均值與第6組作對比，當FQ1002、FQ506001的變化不大時，從FQ61307上取得的數據應與第6組的數據差別不大，損失的差別也應該不大，但實際上從FQ61307取得的每小時流量相對第6組數據只減小了32%，而流量損失卻是第6組數據的5．3倍。數采時段內的主要區別是5#硫酸剛開車時及開車正常后并入3#蒸汽分配缸的蒸汽量大小不同。第6組數據處于5#硫酸剛開車時，并入3#蒸汽分配缸的蒸汽量小;而第7～12組數據，5#硫酸已正常并汽到3#分配缸且蒸汽量大、壓力高。5#硫酸的蒸汽并入3#蒸汽分配缸混和后的蒸汽壓力及蒸汽進出3#分配缸的平衡關系影響了來自1#分配缸蒸汽的暢通流動即1、3#蒸汽分配缸間壓差減小，如表1中1、3#分配缸間壓差數據所示，這一情況使輸送的蒸汽流速下降，熱損增大，一定程度上影響了蒸汽的流態甚至出現汽、液兩相流，直接影響FQ61307的測量，這就是第7～12組數據與第6組數據差別大的根本原因，第13組數據進一步對這種差別進行了證明。
綜上所述，管網物料進出平衡，流量計能滿足準確計量要求;蒸汽通過管網、疏水后存在一定的流量損失;管網存在一個溫度、壓力、流量損失zui小的*操作、輸送范圍。
3．2FQ506002+減溫水與FQ3707+損失量
3．2．1流程及數據采集
2#分配缸出來的一路蒸汽經FQ506002計量、PV－3710減壓、噴水減溫后再經FQ3702、FV-3702流量調節進入石墨換熱器，石墨換熱器出來的冷凝水經冷凝液槽收集由FQ3707計量出裝置。考查時段內的數據見表2。
3．2．2FQ506002、FQ3702、FQ3707的狀況
FQ506002工作在設計選型計算的范圍內;冷凝液槽液位高度考查前后保持不變;從圖2可知，FQ3702與FQ3707的測量數據應很接近，但在考查時段內由于生產負荷低，采集到的蒸汽參數(0．05MPa、110℃左右)比設計值(0．12～0．14MPa、＜125℃)低很多，因此FQ3702經過DCS系統補償后的流量偏差較大，從理論分析可知，當P
實＜P設時將出現正偏差，偏差的大小取決于實際壓力與設計壓力的偏離程度，表2的數據充分表明了這一情況，因此FQ3702的數據僅作為一個參考;FQ3707在考查時已經過校準。
3．2．3減溫水用量
減溫水用量、相關參數及取值:
1)減壓、減溫前的蒸汽參數取FQ506002測量數據:p=1．15MPa(表壓)，t=270℃，h1=2977．025kJ/kg，蒸汽總量Gv=2696t。
2)減壓減溫后的參數:p=0．05MPa(表壓)，t=110℃，h=2693．35kJ/kg。
3)減溫水的參數:p=3．5MPa(表壓)，t=100℃;hw=421．69kJ/kg。
4)不考慮中間損失。
減溫水用量:
3．2．4FQ506002+減溫水與FQ3707+損失量
在考查時段內，FQ506002累積數為2696t、減溫水用量Gw為337t，FQ3707累積數為3025t，即:FQ506002累計量+減溫水用量Gw=2696+337=3033t與FQ3707的累計量3025t偏差很小，總損失量為8t，量損僅為0．26%，FQ506002滿足準確計量要求。
綜上所述，由標準噴嘴、溫度補償元件及3095MV變送器組成的蒸汽流量計在考查時段內都表現出了良好的特性，即:①重復性。流量計對一個確定的流量能重復顯示，測量示值在允許的范圍內。確定的流量在本系統內是以相同時段、蒸汽壓力溫度的穩定、生產條件的穩定來界定的。好的重復性是確定各流量計間關系的重要依據，也是實現高度的基礎。②線性。在不同倍數的時段內，各量值基本呈一種單值的倍數關系即線性關系，對于測量儀表，這是一個關鍵的技術參數。③穩定性、可靠性。流量是一個推導量，在考查的時段內，對于可驗證的溫度、壓力等基本參數均能穩定、可靠、準確的測量。④準確性。表1中的1～6組數據、表2中的數據充分表明了這一點。
由標準噴嘴、溫度補償元件、3095MV變送器組成的蒸汽流量計，是經典節流裝置與現代技術巧妙結合，其技術優勢非常適合云天化紅磷分公司蒸汽管網的特點。此外，優化的調度管理及測量技術的有機結合，才能實現蒸汽的準確計量，改變蒸汽結算分攤的尷尬局面。蒸汽的準確計量、監測及合理的調度分配利用，可幫助企業節約5%～20%的能耗。
